社區中有源RFID人員定位系統設計與實現

張 琴

(上海立達職業技術學院 機電與信息工程系， 上海 201609)

社區中有源RFID人員定位系統設計與實現

張 琴

(上海立達職業技術學院 機電與信息工程系， 上海 201609)

針對傳統的養老社區中老人在行動安全、緊急求救、主動預警、人性化進出等問題中存在的不便，設計了一套能夠在老年人需要幫助時準確定位的人員追蹤區域定位系統。該系統采用有源RFID技術搭建，能夠分別在室外區域和室內區域實現室外區域、進出樓區分、樓內樓層區分以及樓內房間定位。實驗結果表明使用該系統架構，能夠對老年人主要活動區域實現精確識別，有助于構建安全、便捷、和諧的養老社區環境。

養老社區； 系統架構； 有源RFID； 區域定位

隨著社會的進步和居民生活水平的提高,人們的預期壽命也逐年提高,同時帶來的問題是全社會老齡化逐步突出。那么如何更好地照顧老年人的晚年生活,為老人提供一個安全便捷的生活氛圍和高效的服務,是擺在我們面前的一個課題。

除了在管理層面、意識層面的加強外,還應該在技術防御層面深入挖掘。本文針對養老社區環境,從老年人進出安全、便捷的角度出發,通過技術手段,設計一套適用的有源RFID (radio frequency identification)人員定位系統。

1 傳統養老社區問題

調研表明,當前養老社區大多存在如下問題。

(1) 行動安全問題:老年人腿腳不靈便,在日常行走時易發生跌倒,一旦發生這種意外,必須要第一時間定位到老人的地點,并及時予以處置。因此老人的位置信息對于管理方和服務方都非常重要。

(2) 緊急求救問題:當老人遇到困難或意外需要尋求幫助時,必須有快捷的手段幫助老人發出求救信息。

(3) 主動預警問題:當老人發生問題、安全受到威脅時,管理方需要提前收到預警信號,以便提前介入,從而防止事態惡化。比如老人突然跌倒并沒有能力進行呼救,以及癡呆癥老人走出安全區域等情況。

(4) 人性化進出問題:老年人行動不便,對于日常的基礎設施也不一定操作熟練,比如門禁、電梯和通道等,往往會操作錯誤造成進出不便。

養老社區內的典型區域位置包括樓外步行及活動區域、樓內電梯口、樓內安全通道、房間、重點室內公共區域,對這些區域的管控是確定老人位置信息的關鍵。

2 有源RFID的系統的架構

2.1 有源RFID定位技術

無線射頻識別(RFID)是一種非接觸式的自動識別技術[1-4]。無論是在露天,還是在室內外相結合的綜合場所內,有源RFID的人員定位非常精準有效。可根據實際的定位要求,在某些需要特別關注的地點安裝有源RFID讀寫器,通過采集定位對象的傳輸信息,由讀寫器信號的覆蓋范圍來判定定位對象的所在位置,結合定位器和攝像系統還可實現精確定位、視頻監控[5]。本文系統架構的工作原理,是在社區內安放多個已知位置的定位器和閱讀器,將每一個閱讀器通過以太網連接到后臺服務器,構成無線定位網絡；再將人員電子標簽分配給老人和工作人員。電子標簽發射的信號攜帶有與閱讀器位置有關的特征信息,當閱讀器接收到這些信號后,就會確定與其之間的幾何位置關系,并根據相關算法對其位置進行定位估算,從而得到電子標簽的位置信息,具有較高的定位精度。

2.2 系統架構

養老社區系統架構如圖1所示。

圖1 養老社區系統架構

系統架構中基礎設施建設主要包括:

(1) 地標器,也稱作定位器。實現低頻觸發通用標簽的低頻觸發喚醒功能,實現其ID信息發送給閱讀器[6]。

(2) RFID人員電子標簽擁有唯一的ID號。在養老社區中給老人發放電子標簽時,該ID通過電子標簽數據庫與老人身份證、姓名、年齡等信息綁定。用戶使用時,電子標簽佩戴在手腕處。

(3) 在室內外主要活動場所指定監控點安裝RFID身份閱讀器。當老人經過閱讀器識讀區域時,閱讀器通過對電子標簽定時發送的ID信息進行識別,實時采集身份數據,可以自動識別老人信息，并通過有線或無線數據通信方式上傳數據至上層數據采集服務器。

(4) 通信轉換箱。主要完成閱讀器的RS485向TCP/IP的協議轉換功能。

(5) 數據中心設備。包括上層數據采集服務器、監視器若干,其中數據采集服務器分別由動態數據庫、閱讀器數據庫和電子標簽數據庫構成。

(6) 網絡傳輸及接口設備。包括有路由器交換機若干、VPN網關、防火墻、網口和串口等接口轉換設備。

2.3 數據安全

數據安全主要由空中鏈路安全、網絡通信安全、數據庫安全3個方面。

(1) 空中鏈路安全,指閱讀器與電子標簽之間的無線通信及電子標簽本身安全[7]。因為采用通用的2.4 GHz頻段,電子標簽的處理能力有限,不易采用數據信息加密的方式，本方案采用私有協議避免信息非法截取、冒名頂替。

(2) 網絡通信安全,指閱讀器與數據采集服務器間的數據傳輸。一般采用數據加密技術,可對Internet公網中傳輸的實時人員信息進行有效的加密,保證信息安全。也可以借用虛擬專用網VPN，VPN是指通過一個公用網絡建立一個臨時的、安全的連接,是對企業內部網絡的擴展。它通常是2個專用網絡通過一個公用網絡相互連接的一種方法[8]。VPN的構筑通常都要求采用具有加密功能的路由器或防火墻,以實現數據在公共信道上的可信傳遞。

(3) 數據庫安全,在系統的中間件模塊和應用管理模塊的后臺數據庫中包含一定量的冗余源代碼,存在入侵漏洞[9],需要保護。安全數據庫可以確保數據庫的完整性、可靠性、有效性、機密性、可審計性以及存取控制與用戶身份識別等。本系統采用數據庫口令保護。

2.4 系統接口

本項目中,系統功能模塊主要由RFID人員電子標簽、身份識別閱讀器、數據服務器子系統、電子標簽管理子系統以及閱讀器管理子系統組成。系統軟件集成接口是指以上各功能模塊之間的數據鏈路接口及整個系統與上層業務軟件之間的數據鏈路接口,即內部接口和外部接口，如圖2所示。

圖2 系統接口

(1) 內部接口。主要包括硬件系統和3個應用子系統相互之間的數據接口,即閱讀器與電子標簽間的空中通信協議接口、閱讀器與數據采集系統間通信協議、數據庫之間共享接口。其主要作用是通過移動、網通等無線網絡運營商提供的數據鏈路,實現通過無線設備接入數據服務器,達到對數據的操作和共享。

(2) 外部接口。主要指本項目所建系統與上層業務軟件之間的數據鏈路接口,包括與GPS/GIS系統接口和與人員動態監管平臺的接口。其主要作用為本系統與各上層業務軟件之間數據操作服務。

3 人員區域定位

區域定位技術,指在某個特定的區域內,例如辦公樓、場地、城區實現精確定位的技術。區域定位技術可作為全球定位技術的有益補充,在實時定位系統中有著更廣闊的應用空間[10]。

本文使用2.4 GHz和125 kHz兩種頻段相結合方法實現人員的區域定位。2.4 GHz無線識別技術主要完成數據的無線采集及傳輸,其信號可以全覆蓋滿足呼救報警的需要,是一種最常用的無線傳輸技術,其工作方式是全雙工模式傳輸,具有非常好的抗干擾性,并且2.4 GHz無線傳輸技術擁有理論上2 Mbit/s的傳輸速率,比藍牙的1 Mbit/s理論傳輸速率提高了一倍[11]，而且無線電和天線的體積相當小,產品體積也更小。125 kHz低頻觸發技術主要完成區域位置的精確識別,解決位置問題，其主要特點有工作頻率不受無線電頻率管制約束,可以穿透水、有機組織或木材等[12]。

3.1 室外區域定位

為確保RFID身份閱讀器讀取率以及可靠性,需要在室外區域的主要人行道路及活動場所布放固定式定位基站和地燈式地標器實現區域位置定位和數據采集。

地標器主要布放在道路交叉路口處及決定路徑走向的地方,實現低頻信號覆蓋人行道路即可。固定式定位基站覆蓋區域比較大,實現定位數據的無線采集上傳,一般覆蓋區域在50 m左右的半圓區域,布局如圖3所示。地標器的布局原則:整條道路不需要全部布放,僅在路口處布放,即可知道人員的行進方向和位置信息。地燈式地標器主要參數見表1。

表1 地燈式地標器的主要參數

圖3 室外區域定位布局圖

固定式定位基站的主要參數見表2。

表2 固定式定位基站的主要參數

3.2 室內區域定位

3.2.1 樓宇進出定位

樓內采用吸頂型一體式定位基站,樓外采用地燈式地標器，實現AB方向判斷。布放原則是采用AB兩點布置法,室外布放一個地燈式地標器,覆蓋樓門前區域,樓內采用吸頂型一體式定位基站,該基站將定位基站和地標器的功能結合在一起，布局如圖4所示。

樓外設備是地燈式地標器，其技術參數同表1。樓內吸頂型一體式定位基站的主要參數見表3。

表3 吸頂型一體式定位基站的主要參數

3.2.2 樓層定位

在每個樓層的電梯口及安全通道處布放壁掛型一體式定位基站，布局見圖5。人員通過電梯或樓梯上下樓一定會經過該定位基站,通過一體式定位基站不同的地標號碼進行所處樓層邏輯判斷。

圖5 樓層定位布局圖

壁掛型一體式定位基站主要參數見表4。

3.2.3 房間定位

在每個房間布放壁掛型一體式定位基站,人員進入房間即進行識別,通過地標號碼進行所處房間的位置判定。壁掛型一體式定位基站的技術參數見表4。

表4 壁掛型一體式定位基站的主要參數

4 結語

本文針對養老社區中存在的問題設計出了一套適合老年人人員追蹤區域定位系統,并對樓外區域主要道路及活動場所進行設備布置和搭建,實現了對人員進出樓的行進方向進行判斷、樓層定位以及房間定位,實現了對老年人主要活動區域的精確識別。

References)

[1] 李相澤.基于有源RFID智能社區中人員定位系統的設計與實現[D].沈陽:東北大學,2014.

[2] 林東曉,林霖,李偉鵬，等.基于RFID技術的醫院設備管理系統的設計與實現[J].中國醫療設備,2013,28(3):53-55.

[3] 杜云明,周楊.無線射頻識別技術與應用研究[J].自動化技術與應用,2010,29(5):52-55.

[4] 劉慶.基于主動式RFID的監獄管理系統設計與研究[D].濟南:山東大學,2009.

[5] 饒均志.安防新銳:有源RFID人員定位系統[J].安防工程商,2014 (11):102-103.

[6] 上海秀派電子科技有限公司.老年公寓人員定位系統[EB/OL].(2013-03)[2016-07-15].http://wenku.baidu.com/view/02e44534ad02de80d5d84017.html?from=search.

[7] 孫培彥,田衛萍,楊樹青，等.影響RFID數據安全的因素分析[J].電腦開發與應用,2009,22(5):13-16.

[8] 尹淑玲,蔡杰濤,魏鑒,等.網絡安全技術教程[M].武漢:武漢大學出版社,2014:186-223.

[9] 劉虹,汪俊.RFID集裝箱信息系統的安全研究[J].中國電子科學研究院學報,2010,5(4):400-404.

[10] 董耀華,佟銳,孫偉.物聯網技術與應用[M].上海:上海科學技術出版社,2011:165-169.

[11] 潘言全.基于2.4GHZ射頻識別技術的物聯網應用分析[J].黑龍江科技信息,2015 (36):128.

[12] 高向陽.射頻識別系統及其產品[J].電世界,2015,56(2):1-3.

Design and realization of framework of active RFID personnel positioning system in community

Zhang Qin

(Department of Mechanical and Electrical Information Engineering, Shanghai Lida Polytechnic Institute, Shanghai 201609, China)

Aiming at the elderly people’s inconvenience in the traditional senior living communities about the personal safety, emergency call for help, active forewarning, humanized entry and exit, a framework of regional positioning system for personnel tracking is designed, which can help locate the position accurately when the elderly people need help．The framework is built by using the technology of active RFID (Radio Frequency Identification), which can realize the positioning in both outdoor and indoor areas, and distinguish the entry to or exit from a building, different floors and rooms of a building．The experimental results show that the system can achieve the accurate positioning of the elderly people in the main activity areas and build a real, safe，convenient and harmonious environment for a senior living community.

senior living community; system framework; active RFID; regional positioning

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.024

2016-07-21 修改日期：2016-08-31

2015年度北方國際大學聯盟教育科學研究課題(201504100003)

張琴(1984—)，女，江西吉安，講師，主要從事軟件技術及計算機應用教學研究.

E-mail：zhangqin2004405@126.com

TP273

A

1002-4956(2017)1-0104-05